“A carga térmica, por definição, é a soma de todo o calor sensível e latente gerado pelas pessoas, equipamentos, iluminação, algumas cargas específicas, ar externo e, principalmente, a radiação, convecção e condução do meio externo em relação ao ambiente interno. Isto posto, dentro de todas as fontes de calor, a maneira como o ambiente é construído, ou seja, a melhoria contínua de sua envoltória, é o primeiro passo para atingirmos ambientes de baixa carga térmica. Junto às características construtivas do edifício, podemos adotar também estratégias de redução da carga sensível e latente provenientes do ar externo através de soluções de recuperação de calor utilizando de interações entre as condições psicrométricas internas e externas”, explica Felipe Daud, da Newset Services.

Ele acredita que nesse contexto a automação é fundamental para manter as definições  projetadas inicialmente: “A automação pode, por exemplo, atuar para fechar e abrir brises externos de acordo com a orientação do sol, monitorar as condições externas para utilizar ou não um sistema como free cooling e, por fim, determinar os setpoints de temperatura interna de modo a manter a diferença de temperatura interna e externa o menor possível, dentro do range das temperaturas de conforto. Quanto a brises e persianas externas, abertura e fechamento podem ser programados de acordo com a posição do sol no decorrer do dia, com o objetivo de ter a maior iluminação natural possível e reduzir a carga de insolação. Esta é uma solução de alto investimento, pois demanda que todas as persianas externas sejam automatizadas, porém seu custo pode ser pago ao longo da operação. Novamente, conforme já citado, um estudo financeiro deve ser executado antes de tomada de qualquer decisão do tipo. A automação da iluminação, por exemplo, fará com que apenas a quantidade necessária de luz seja utilizada para executar tal tarefa. A economia pode ocorrer através da dimerização das luminárias e sensores de presença. Estas estratégias objetivam inicialmente a redução do consumo elétrico e consequentemente a redução da carga térmica onde, mais uma vez, haverá economia de energia elétrica através da redução de capacidade do sistema de ar condicionado. Por fim, estratégias de resfriamento da massa como ciclo economizador, ventilação noturna e free cooling dependem diretamente das condições externas para serem eficientes e operarem de acordo com os parâmetros projetados. Neste ponto, a automação é ponto chave. Ela deve ser, antes de tudo, de simples operação. Como instalador e operador de prédios, o que mais encontramos em campo nos dias de hoje são prédios altamente tecnológicos, com todas estas estratégias implantadas, porém operando no modo “manual”, ou seja, dependente da ação do operador. A justificativa que mais ouvimos das equipes de manutenção é que o sistema de automação é muito complexo e a equipe não possui conhecimento suficiente para operá-la. Com isso, todo o investimento feito inicialmente no edifício é descartado por complexidade demasiada. Desta forma, é muito importante os sistemas de automação serem de simples operação, fácil e código-fonte aberto, e os operadores sejam treinados durante a etapa de comissionamento do edifício. É muito importante a integração entre as empresas de automação, ou seja, integradoras de sistemas, junto com a instaladora de ar condicionado e o agente comissionador”, revela Daud.

Para Rodrigo Miranda, diretor executivo da Mercato Automação, o cenário atual conduz ao racionamento do consumo energético, que por sua vez está diretamente ligado ao sistema de AVAC-R num edifício comercial: “É comum confundir-se racionalização com racionamento. Consumir energia de maneira racional, com eficiência, significa buscar o máximo de desempenho de uma instalação, com mínimo consumo de energia. Para atingir este objetivo é importante implantar medidas de eficiência energética desde o conceito arquitetônico até a correta escolha dos equipamentos que serão aplicados na instalação. O equilíbrio entre a tecnologia aplicada na construção, sistemas de controle e um projeto arquitetônico pensado em eficiência energética resultará em uma redução no consumo de carga térmica durante a ocupação e utilização do empreendimento. Principal ponto é que para atingir o menor consumo de carga térmica em um edifício, deve-se pensar neste objetivo desde o seu início,  partindo do conceito arquitetônico e de construção sustentável, a escolha de um bom projeto do sistema de AVAC-R e automação que simule as condições de operação do empreendimento e projete o sistema com possibilidade de atender as diferentes variações de demanda que se mostram na sua operação. Desta forma toda a tecnologia da automação poderá contribuir para a operação mais eficiente do sistema, ou seja, gerando somente o necessário de carga térmica para atender a necessidade de ocupação do edifício. Para que a automação possa exercer um bom controle sobre o sistema, primeiramente temos que utilizar sensores e instrumentos de boa precisão, preferencialmente calibrados, que garantam uma medição correta das variáveis como temperatura, umidade, pressão e nível de CO2 para que se obtenha um resultado ainda mais satisfatório no controle do sistema. Tratando-se de carga térmica de um empreendimento comercial de grande porte, a diferença de erro de 1ºC na temperatura da água pode resultar em desperdício de energia mensal na operação. O segundo passo é escolher a correta aplicação dos produtos, aproveitando toda tecnologia que se tem disponível hoje no segmento de automação para garantir um sistema com as informações necessárias para se tomar as melhores decisões de operação do mesmo, de forma que a automação possa fazer seu trabalho com eficiência. Regulando o sistema para atingir as condições de conforto e qualidade do ar durante a demanda de utilização, permitindo uma operação eficiente do sistema de AVAC-R”, informa Miranda.

Ele acrescenta que controlar persianas, iluminação, climatização, renovação e tratamento do ar são algumas das funções que um sistema de automação contribui na busca de reduzir a necessidade de carga térmica no ambiente. “Quando controlamos o fechamento e abertura de uma persiana em uma fachada de vidro, estamos agindo para evitar a radiação de calor externo para dentro do ambiente e, por outras vezes, permitindo a entrada de luz externa para diminuir ou desligar a iluminação interna, também contribuindo para redução de carga térmica. O controle de variáveis como o nível de CO2 nos permite renovar o ar ambiente apenas de acordo com a demanda necessária, isso resulta em uma significativa redução da carga térmica. O sistema de automação gerencia e controla cada variável para que este conjunto de informações possa ser tratado de forma integrado, gerando resultados eficientes de operação sem deixar de atender as necessidades do edifício”.

Sistemas e controle de variáveis

Eduardo Coelho Rusafa, diretor geral e comercial da Stulz Brasil, cita o conceito free cooling aplicado em data centers que explora a diferença de temperatura entre ambientes para a produção de frio: “Esse conceito vem sendo amplamente utilizado em data centers proporcionando operação eficiente, custo mínimo e com baixo PUE (Power Usage Effectiveness). Este índice possui um cálculo bastante simples e se baseia na relação entre a energia consumida pela instalação inteira e a energia consumida pelos equipamentos da infraestrutura de TI. Quanto mais próximo de 1,0 for esse resultado, melhor. Para diminuir o PUE, a principal estratégia é reduzir o consumo do sistema de refrigeração. E hoje com o uso do sistema de free cooling correto, uma PUE inferior a 1,5 é possível. No comitê Ashrae 9.9 (TC 9.9), composto em quase toda sua totalidade pelos principais fornecedores de TI, foram definidas as principais faixas de temperatura e umidade para data centers em diferentes classes. Deste modo, o nível deve ser escolhido de acordo com o hardware de TI instalado e os diferentes níveis de aplicações. Como se trata de uma norma feita em consenso com os fabricantes de equipamentos de TI, garante o funcionamento com ótima performance e uma das vantagens é a possibilidade de utilização de free cooling, com controle das variáveis. Por exemplo, no free cooling direto, o ar da sala é resfriado diretamente com ar externo. Seu uso é possível em data centers com requisitos reduzidos de controle de umidade. O ar externo filtrado é usado para manter o data center nas condições de temperaturas adequadas. Se a condição de entalpia externa se elevar acima do ponto de ajuste do fornecimento de ar, o sistema de expansão direta integrado com compressores assume a tarefa de resfriar o data center. Isso reduz as horas anuais de operação do compressor, proporcionando enorme economia de energia”.

Neste controle deve-se levar em consideração os seguintes parâmetros:

– Perfil anual de temperatura do local;

– Custos de energia (R$/kWh);

– Setpoint da temperatura ambiente (°C do corredor frio ou quente);

– Fácil acesso ao meio exterior para tomada e descarga de ar do free cooling;

– Permitir operação em uma faixa de umidade de 20% a 80%;

– Considerar entrada de poeira (por exemplo, proximidade de rodovias, colheita, centros urbanos);

– Permitir possíveis efeitos ambientais, como: fumaça, gás, etc.

Já no free cooling indireto utiliza-se o ar externo para resfriar um fluido que por sua vez passa por um trocador de calor que será utilizado para retirar o calor do ambiente. Ele pode ser utilizado em sistemas de expansão direta com condensação à água ou sistemas de expansão indireta. Existe ainda a tecnologia de free cooling indireto dinâmico, que combina o resfriamento do compressor e o free cooling em quatro estágios e procura automaticamente pelo modo operacional mais econômico.

“Cada unidade funciona com um circuito refrigerante compreendendo um evaporador, válvula de expansão eletrônica (EEV), compressor scroll e condensador de placa soldado – e um circuito separado de água gelada para uso de resfriamento indireto. A comutação mecânica do modo expansão direta para o modo de resfriamento livre indireto é obtida de modo contínuo por meio de válvulas de 2 vias. Com a máxima sensibilidade e precisão, o DFC seleciona o modo de economia de energia, controla a velocidade dos ventiladores EC na unidade AC e os dos drycoolers, regula a posição das válvulas de controle e reduz o consumo de eletricidade das bombas, garantindo um controle preciso da temperatura interna. Incorporando também as unidades de reserva, o DFC mantém todas as unidades, bombas e drycoolers, em perfeito equilíbrio no modo de carga parcial que economiza energia”, explica Rusafa.

Ricardo Facuri, diretor da SystemAir Traydus, cita o ciclo economizador em unidades de tratamento de ar, no aproveitamento da entalpia do ar externo quando este estiver em melhor condição do que o ar de retorno do ambiente condicionado.

“Geralmente os sistemas preveem o mínimo percentual de ar exterior possível, de forma a não aumentar a carga térmica total da instalação, uma vez que boa parte do ano o ar externo é quente e úmido. No entanto, existem determinados períodos do ano que o ar exterior está com uma melhor entalpia que o ar recirculado do ambiente. Ou seja, a temperatura e/ou umidade do ar exterior é menor que do ar externo. Neste caso é que o ciclo economizador se torna fundamental para economia de energia. Os dampers são manejados automaticamente dentro da unidade de tratamento de ar para que todo o ar de retorno seja expurgado do sistema e o ar externo passe a corresponder a 100% do ar a ser tratado nas baterias de resfriamento. Seguindo o mesmo conceito do ciclo economizador, o free cooling se baseia em utilizar o ar exterior com ar de resfriamento, desde que ele esteja em uma condição apropriada. Diversos aspectos devem ser considerados na definição ou não da utilização do free cooling. O mais importante é certificar-se que o perfil psicométrico da cidade onde está sendo construída a edificação é propício, com temperaturas suficientemente baixas comparado ao tanto de calor sensível que deve ser tirado do ambiente. Outro fator importante é a questão da umidade relativa, que deve ser levada sempre em consideração no momento de utilizar ou não o free cooling. É muito difícil definir uma regra ou conceituar situações onde o free cooling deve ser aplicado. O projetista deve definir em função da análise do perfil psicométrico do ar externo versus o perfil psicométrico e carga térmica interna. Casos em que estamos condicionando ambientes de processos com alta temperatura, ou ambientes que possuam apenas equipamentos, geralmente admitem uma temperatura interna superior à de conforto, tornando a utilização do free cooling viável em cidades abaixo ou acima dos trópicos. Podemos citar o exemplo de salas de painéis elétricos ou data centers, onde cada vez mais o free cooling é empregado”, informa Facuri.

Bo Andersson, diretor da Heatex, acrescenta que dependendo da temperatura e umidade do ar externo, a carga térmica de ventilação pode variar entre 10% até 30% da carga térmica total do edifício indicando a aplicação de recuperadores de energia de ventilação.

“A tecnologias mais aplicada é a roda entálpica, que pode reduzir a carga térmica de ventilação com 70% ou mais, com menor custo do sistema de AC, pois, sendo o consumo da energia da roda entálpica insignificante, a economia de consumo da energia elétrica será significante. Intervenções para reduzir a carga térmica de ventilação são comuns no exterior. Nos EUA, existem esquemas de incentivos com vantagens econômicas para o cliente final. Na Europa, são aplicadas leis com intervenções mais rígida. No Brasil, o retorno do investimento em recuperação de ventilação já é favorável para o cliente final em muitos projetos. Ainda assim, poucos projetos realizados no Brasil utilizam recuperação de ventilação. Isto indica que deveríamos ter mais incentivos para promover a redução da carga térmica de ventilação. Outro exemplo é o ciclo economizador, que pode ser um trocador de calor que aumenta a eficiência do sistema AC através da evaporação de uma parte da vazão do refrigerante, como também um que recupera água quente da temperatura mais alta. Este calor pode ser usado para abastecer uma roda dessecante com energia para desumidificar o ar externo. Em um sistema de ar condicionado, a capacidade normalmente será 50% a 60% maior do que a carga térmica no espaço interno. Esta “sobre capacidade” é necessária para resfriar a carga térmica de ventilação e para desumidificar o ar interno. Um sistema DOAS que utilize roda entálpica tanto quanto a roda dessecante, pode reduzir a capacidade do sistema até um nível mais perto da carga térmica no espaço interno com uma “sobre capacidade” de apenas 10%. Em um sistema com 1.000 TR, poderia ser possível reduzir a capacidade com 350 TR, com grande impacto nos custos como no consumo da energia elétrica”, diz Anderson. (APB)

Veja também:

A eficiência energética começa com a redução da carga térmica

Recursos construtivos para o tratamento da envoltória

Recomendações para alcançar edificações eficientes

 

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